自然光與LED混合照明系統在隧道照明設計中的應用

紀思美 高英明 張競輝 王善鑫 曹冠英

(大連工業大學光子學研究所，遼寧大連 116034)

1 引言

隨著經濟的發展，汽車的使用量越來越大，造成道路和車輛的擁擠，為解決這一難題，作為隧道的一種，城市中的車行地下通道由此誕生，其意義就是為了緩解車流量的壓力。為保證車輛在地下的行駛安全，無論白天還是夜晚的照明系統都是至關重要的［1］。

自然光是取之不盡、用之不竭的，是大自然賜予人類的寶貴財富，具有清潔、安全的特點，這是其他能源所沒有的。自然光的導入可采用光導照明系統。光導照明系統對于建筑節能方面有很大的幫助，為我們更好的實現了建筑的節能減排，是一項現代的新興應用技術，值得關注。除了節能，光導系統引入的是自然光，能構建一個良好的光環境，讓人愉悅和舒暢［2］。現在光導照明系統已經應用的比較廣泛，例如:學校、地下停車場、工業廠房、機場、住宅、高級會館中的天窗場所［3］。在未來，光導照明系統會得到更好的發展。

本文利用自然光與人工光源LED混合照明系統對城市的車行地下隧道進行照明設計，以高效的方法來達到照明的節能效果，節約能源，保護環境。

2 隧道照明的整體設計方案

本文設計的宗旨是利用自然光與人工光源混合進行照明。即白天充分利用自然光對隧道進行照明;晚上或陰雨天當外界亮度低于隧道照明要求時，與隧道外路段同時啟動人工照明［4］。自然光的引入采用光導照明系統，而光導照明系統分為光纖照明系統和光導管照明系統，考慮到光纖的成本比較高，所以本文照明設計的光導照明系統部分采用光導管;人工光源采用新型LED燈具。

2.1 光導管照明系統

光導管照明系統是由三部分組成的，即采光裝置、導光裝置、漫射裝置［5］(如圖1所示)，光導管地上安裝的效果如圖2所示。光導管照明系統的原理就是通過采光裝置對外界的自然光進行大量的采集，將這些光線導入到系統的內部。到達內部的光線會經過光導管照明系統的第二部分——導光裝置，在其中，光線會經過多次的反射使自然光的傳播方向得以改變［6］。而導光裝置是由特殊的材料制作而成的。最后光線到達底部的漫射器，而漫射器的作用就是將自然光線最終均勻導入到需要照明的地方。

圖1 光導管照明系統結構圖Fig.1 The structure of light pipe system

圖2 光導管地上安裝效果圖Fig.2 Installation of light pipe on the ground

本文所選用光導管照明系統的參數如下:集光器形狀為圓頂形，高375mm;光導管形狀為圓形，半徑375mm，長度610mm;漫射器形狀為圓形，高150mm。

2.2 LED燈具

選擇飛利浦公司的一款100W的LED燈具，具體型號為:SSL eW Profile Powercore BCX411 489mm 2×5-LED-HB/NW-4000，具體信息如圖3所示。

圖3 LED燈具信息Fig.3 The information of LED lamps

2.3 隧道照明

由于隧道內部和隧道外部亮度的巨大差別，導致司機在進入和通過隧道的過程中，會產生許多特殊的視覺問題，給行車帶來了不便。白天當司機駛入隧道時，由于隧道內部的亮度低于外部亮度很多，使司機感覺一瞬間從白變黑，看不清洞口里面的狀況，這就是所謂的黑洞效應。因為司機要經過一定的時間 (3s以上)才能夠恢復視覺，看清前方的狀況，所以這一現象很容易造成交通事故［7］。而當司機要駛出隧道時，亮度由弱變強，使司機眼前一瞬間發白，產生強烈的眩光，看不清洞外的狀況，這就是所謂的白洞效應，這也是很危險的。為了消除這兩種效應，要對隧道進行分段照明。隧道基本分為入口段、過渡段、中間段、出口段四部分［8］，如圖4所示。

圖4 隧道亮度曲線圖Fig.4 The luminance curve for tunnel

3 隧道照明設計及計算

本設計以一條市內車行地下通道為例。隧道全長600m，路寬9m，隧道凈高6m，為水泥混凝土路面，設計時速60km/h，車流量＞1300輛/h，為上下分離式雙向車道，隧道洞外亮度L20(S)=4000cd/m2。

3.1 照明設計目標值

入口段亮度與長度分別為

過渡段亮度與長度分別為

Lth1=0.3Lth=26.4cd/m2， Dth1=44m

Lth2=0.1Lth=8.8cd/m2， Dth2=67m

Lth3=0.035Lth=3.08cd/m2，Dth3=100m

中間段亮度與長度分別為

Lin=2.5 cd/m2， D=110m

按照《公路隧道通風照明設計規范》中的說明，瀝青路面的照度一般是亮度的15～22倍，水泥路面的照度一般是亮度的10～13倍［9］。本文所選用的是水泥混凝土路面，選取照度是亮度的10倍。隧道每段的長度及所需的亮度和照度的設計目標值如表1所示。

表1 隧道每段的長度及設計目標值Table 1 The length of each segment of the tunnel and target value of design

3.2 布燈設計

3.2.1 LED布燈

對于選用的100 W的LED燈具，采用的布燈方法為兩側對稱式，以達到亮度均勻。每隔2.5 m布一盞，每排233盞，因此燈具總數為466盞，如圖5所示。

DIAlux軟件模擬亮度分布的結果如圖6所示，全程照明的平均亮度為2.52 cd/m2，設計目標值為2.5 cd/m2，符合設計要求，達到了預期效果。亮度均勻度為:最小亮度/平均亮度=1.59/2.52=0.63，符合隧道亮度均勻度標準。

圖5 LED布燈圖Fig.5 The diagram of LED lamp arrangement

圖6 LED布燈的灰階圖Fig.6 Gray scale map of LED lamp arrangement

3.2.2 光導管布置

(1)入口段:由于入口段照明需要的照度較高，所以采用兩個光導管并列，每隔3m設置兩個光導管，置于天花板中線上，共16個光導管，如圖7所示;入口段隧道截面布燈如圖8所示;Skyvision模擬計算結果如圖9所示，通過Skyvision的模擬結果可以看到照度值達到781lx，加上隧道口處入射進來的光，可以達到設計目標值。

圖7 入口段布燈圖Fig.7 The lamp arrangement for entrance

圖8 入口段隧道截面布燈圖Fig.8 The cross-section lamp arrangement for entrance

圖9 入口段計算結果Fig.9 The calculation results of entrance

(2)其他路段:過渡段1的長度為44m，在天花板的中軸線上，每隔4.4m安裝一個光導管，共9個;過渡段2的長度為67m，在天花板的中軸線上，每隔13.4m安置一個光導管，共5個;過渡段3的長度為100m，在天花板的中軸線上，每隔33m安置一個光導管，共3個;中間段長度為110m，在天花板的中軸線上，每隔55m安置一個光導管，共2個。隨著進入隧道的路程增加，照度值會逐漸減小。光導系統照明設計的目標照度值與實際計算達到照度值的對比，如表2所示。通過表中的數據對比，可以看出各段的照度值對比偏差很小，符合設計要求，達到了預期效果。

表2 計算與實際的照度對比 (單位:lx)Table 2 The contrast between calculated and actual luminance

本文總體布燈如圖10所示，總計使用半徑375mm型光導管68個;100W型LED燈具466個。

圖10 整體布燈圖Fig.10 The diagram of whole lamp arrangement

3.3 隧道照明的控制方案

本文利用光導管照明系統和LED燈具進行混合照明，在白天的時候，關閉LED燈，利用光導管照明系統，將自然光引入到隧道中進行照明。由于此系統能夠充分利用自然光，所以可以自動調節云天、陰天、雨天等不良天氣時亮度的變化［10］。而使用傳統光源存在著不可自動調節，必須借助電腦控制的劣勢，利用此系統輕而易舉的解決了這一方面的不便。當白天向黑夜過渡，外界自然光的亮度小于隧道照明的最低亮度時，就要啟動LED燈進行照明。此時的照明系統是自然光、外界路燈、LED燈三體的混合照明，這也是本文設計的一大亮點與特色。由以上說明可知本文設計的照明控制簡單方便，自然光與LED混合照明系統也可以達到很好的節能效果。

3.4 節能分析

對于光導管照明系統的節能情況，采用Skyvision軟件模擬，計算出入口段系統年節能指數為67%(見圖11)，過渡段用Skyvision軟件模擬后，計算出系統年節能指數為27.4%。通過以上數據可知，利用光導管照明系統是可以節約能源的，而且最高可達67%，節約一半以上的能源。

圖11 入口段年節能指數Fig.11 The energy-saving index of the entrance

與使用人工照明的隧道相比，假設當白天的時候使用LED進行照明，整條車行地下通道總共有466盞100W的LED，每天從早上7點到17點，共10個小時，一年365天，一度電為0.5元，則車行地下通道一年的電費高達85045元。如果考慮黑洞效應，入口段還需進行加強照明，那么一年的電費就不止85045元;而且對于相比傳統燈具節能的LED來說，都需要花費如此多的電費，可見白天使用光導系統可以節約大量的能源，減少大量的電費花銷。

4 結論與展望

利用光導管照明系統與LED混合對車行地下通道進行照明設計。地下通道分為入口段、過渡段、中間段、出口段四部分，對每一段進行了合理布燈及照明計算，并利用DIAlux和Skyvision軟件進行了模擬，得到了相關數據。通過數據分析了解到節能情況，達到了本次設計的預期效果。

本文設計的宗旨就是利用自然光與LED混合照明來達到節能與舒適的效果。白天使用光導管照明系統進行照明，無需電費;并且可自適應調節，無需復雜的控制系統，亮度會隨著光線變化而變化。晚上使用LED燈具進行照明，和外界路燈照明使用同一照明控制系統，也起到了節能的效果。

節約能源、保護環境，提高照明品質一直都是綠色照明的宗旨，在人類面臨能源困乏的今天，運用光導管照明技術來充分利用自然光是解決問題的一條途徑。現在其應用的領域已經越來越廣，并且飛速的發展著。在未來，也許人類將并不需要太多的人工能源，它將慢慢地被時代所淘汰，而人類生活照明中的主導將會變成自然光。它將會變成未來又一新興的能源，解決能源枯竭的煩惱。節約能源、保護環境會是它最大的優勢。

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